1 ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMANDO 1.1 INTRODUÇÃO

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1 1 ESTRUTURAS DE CONCRETO ARMANDO 1.1 INTRODUÇÃO Estrutura de concreto armado é a denominação de estruturas compostas de concreto, cimento + água + agregados (e às vezes + aditivos) com barras de aço no interior. Essas barras de aço são posicionadas em locais específicos da peça de concreto com o objetivo de reforça-la. As estruturas de concreto armado apresentam bom desempenho porque, sendo o concreto de ótima resistência à compressão, esse ocupa as partes comprimidas ao passo que o aço, de ótima resistência à tração, ocupa as partes tracionadas, basicamente. É o caso das vigas de concreto armado (Figura 1.1). Figura 1.1: Viga de concreto armado. No entanto, o aço também possui boa resistência a compressão. Assim o mesmo pode colaborar com o concreto em regiões comprimidas. É o caso dos pilares de concreto armado (Figura 1.2). Figura 1.2: Pilar de concreto armado. As obras de concreto estrutural, no Brasil, são regidas, basicamente, pela ABNT NBR 6118 Projeto de Estruturas de Concreto Procedimento mar/2004. Segundo o item 1.2, esta Norma aplica se às estruturas de concreto normais identificados por massa específica seca maior do que 2 000º kg/m3, não excedendo kg/m3, do grupo I de resistência (C10 a C50), conforme classificação da ABNT NBR Entre os concretos especiais excluídos desta Norma estão o concreto massa 1 e o concreto sem finos 2. 1 Concreto massa é o concreto que exige controle de calor de hidratação do cimento para evitar o surgimento de fissuras que danifiquem a estrutura. Muito usado na construção de barragens. 2 A característica principal desse tipo de concreto é a sua elevada porosidade. 1-1

2 1.2 HISTÓRICO No ano de 1770, em Paris, associou-se ferro com pedra para formar vigas como as modernas, com barras longitudinais na tração e barras transversais ao cortante. Considera-se que o cimento armado surgiu na França, no ano de 1849, com o primeiro objeto do material registrado pela História sendo um barco, do francês Lambot, o qual foi apresentado oficialmente em O barco foi construído com telas de fios finos de ferro preenchidas com argamassa. Embora os barcos funcionassem, não alcançaram sucesso comercial. A partir de 1861, outro francês, Mounier, que era um paisagista, horticultor e comerciante de plantas ornamentais, fabricou uma enorme quantidade de vasos de flores de argamassa de cimento com armadura de arame, e depois reservatórios (25, 180 e 200 m3) e uma ponte com vão de 16,5 m (VASCONCELOS, 2008). 1.3 VIABILIDADE DO CONCRETO ARMADO O sucesso do concreto armado se deve, basicamente, a três fatores: aderência entre o concreto e a armadura; valores próximos dos coeficientes de dilatação térmica do concreto e da armadura; proteção das armaduras feita pelo concreto envolvente. O principal fator de sucesso é a aderência entre o concreto e a armadura. Desta forma, as deformações nas armaduras serão as mesmas que as do concreto adjacente, não existindo escorregamento entre um material e o outro. É este simples fato de deformações iguais entre a armadura e o concreto adjacente, associado à hipótese das seções planas de Navier 3, que permite quase todo o desenvolvimento dos fundamentos do concreto armado. A proximidade de valores entre os coeficientes de dilatação térmica do aço e do concreto torna praticamente nulos os deslocamentos relativos entre a armadura e o concreto envolvente, quando existe variação de temperatura. Este fato permite que se adote para o concreto armado o mesmo coeficiente de dilatação térmica do concreto simples. Finalmente, o envolvimento das barras de aço por concreto evita a oxidação da armadura fazendo com que o concreto armado não necessite cuidados especiais como ocorre, por exemplo, em estruturas metálicas. 1.4 PROPRIEDADES DO CONCRETO O concreto, assim como todo material, possui coeficiente de dilatação térmica, suas características mecânicas podem ser representadas por um diagrama tensão deformação, possui módulo de elasticidade (módulo de deformação), etc. Apresenta também, duas propriedades específicas, que são a retração e a fluência CONCRETOS DA ABNT NBR 6118 Segundo a ABNT NBR 8953, os concretos a serem usados estruturalmente estão divididos em dois grupos, classificados de acordo com sua resistência característica à compressão (fck), conforme mostrado na Tabela 1.1. Nesta Tabela a letra C indica a classe do concreto e o número que se segue corresponde à sua resistência característica à compressão (fck), em MPa 4. A dosagem do concreto deverá ser feita de acordo com a ABNT NBR A composição de cada concreto de classe C15 ou superior deve ser definida em dosagem racional e experimental, com a devida antecedência em relação ao início da obra. 3 As seções planas permanecem planas após a deformação. 4 1 MPa = 0,1 kn/cm 2 = 10 kgf/cm

3 Grupo I fck Grupo II fck C15 15 MPa C55 55 MPa C20 20 MPa C60 60 MPa C25 25 MPa C70 70 MPa C30 30 MPa C80 80 MPa C35 C40 C45 C50 35 MPa 40 MPa 45 MPa 50 MPa Tabela 1.1: Classes de concreto estrutural da NBR O controle tecnológico da obra deve ser feito de acordo com a ABNT NBR ABNT NBR 6118, item 8.2.1: Esta Norma se aplica a concretos compreendidos nas classes de resistência do grupo I, indicadas na ABNT NBR 8953, ou seja, até C50. A classe C20 5, ou superior, se aplica ao concreto com armadura passiva 6 e a classe C25, ou superior, ao concreto com armadura ativa 7. A classe C15 pode ser usada apenas em fundações, conforme ABNT NBR 6122, e em obras provisórias MASSA ESPECÍFICA Segundo o item 8.2.2, a ABNT NBR 6118 se aplica a concretos de massa específica normal, que são aqueles que, depois de secos em estufa, têm massa específica compreendida entre kg/m3 e kg/m3. Se a massa específica real não for conhecida, para efeito de cálculo, pode se adotar para o concreto simples o valor kg/m3 e para o concreto armado kg/m3. Quando se conhecer a massa específica do concreto utilizado, pode se considerar para valor da massa específica do concreto armado aquela do concreto simples acrescida de 100 kg/m3 a 150 kg/m COEFICIENTE DE DILATAÇÃO TÉRMICA O coeficiente de dilatação térmica, para efeito de análise estrutural, pode ser admitido como sendo igual a 10-5 /ºC (ABNT NBR 6118, item 8.2.3) RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO As prescrições da ABNT NBR 6118 referem se à resistência à compressão obtida em ensaios de cilindros moldados segundo a ABNT NBR 5738, realizados de acordo com a ABNT NBR 5739 (item da ABNT NBR 6118). Quando não for indicada a idade, as resistências referem se à idade de 28 dias. A estimativa da resistência à compressão média, fcmj, correspondente a uma resistência fckj especificada, deve ser feita conforme indicado na ABNT NBR A evolução da resistência à compressão com a idade deve ser obtida através de ensaios especialmente executados para tal. Na ausência desses resultados experimentais pode se adotar, em caráter orientativo, os valores indicados em RESISTÊNCIA À TRAÇÃO 5 A adoção de um concreto com resistência mínima de 20 MPa visa uma durabilidade maior das estruturas. 6 Concreto armado. 7 Concreto protendido. 1-3

4 Segundo a ABNT NBR 6118, item 8.2.5, a resistência à tração indireta fct,sp e a resistência à tração na flexão fct,f devem ser obtidas de ensaios realizados segundo a ABNT NBR 7222 e a ABNT NBR 12142, respectivamente. A resistência à tração direta fct pode ser considerada igual a 0,9 fct,sp ou 0,7 fct,f ou, na falta de ensaios para obtenção de fct,sp e fct,f, pode ser avaliado o seu valor médio ou característico por meio das equações seguintes: Equação 1.1 Sendo fckj 7MPa, estas expressões podem também ser usadas para idades diferentes de 28 dias. e são em MPa. O fctk,sup é usado para a determinação de armaduras mínimas. O fctk,inf é usado nas análises estruturais MÓDULO DE ELASTICIDADE Segundo a ABNT NBR 6118, item 8.2.8, o módulo de elasticidade deve ser obtido segundo ensaio descrito na ABNT NBR 8522, sendo considerado nesta Norma o módulo de deformação tangente inicial cordal a 30% de fc, ou outra tensão especificada em projeto. Quando não forem feitos ensaios e não existirem dados mais precisos sobre o concreto usado na idade de 28 dias, pode-se estimar o valor do módulo de elasticidade usando a expressão: Equação 1.2 O módulo de elasticidade numa idade j 7 dias pode também ser avaliado através dessa expressão, substituindo-se fck por fckj. e são em MPa. Quando for o caso, é esse o módulo de elasticidade a ser especificado em projeto e controlado na obra. O módulo de elasticidade secante a ser utilizado nas análises elásticas de projeto, especialmente para determinação de esforços solicitantes e verificação de estados limites de serviço, deve ser calculado pela expressão: Equação 1.3 Na avaliação do comportamento de um elemento estrutural ou seção transversal pode ser adotado um módulo de elasticidade único, à tração e à compressão, igual ao módulo de elasticidade secante (Ecs). Na avaliação do comportamento global da estrutura pode ser utilizado em projeto o módulo de deformação tangente inicial (Eci) COEFICIENTE DE POISSON E MÓDULO DE ELASTICIDADE TRANSVERSAL Para tensões de compressão menores que 0,5 fc e tensões de tração menores que fct, o coeficiente de Poisson pode ser tomado como igual a 0,2 e o módulo de elasticidade transversal Gc igual a 0,4 Ecs (ABNT NBR 6118, item 8.2.9). Observar que a equação clássica da Resistência dos Materiais para a determinação do módulo de elasticidade 1-4

5 transversal G não é seguida à risca pela ABNT NBR Para se obter Gc igual a 0,4 Ecs, seria necessária a imposição de um coeficiente de Poisson igual a 0,25, ou seja: Equação DIAGRAMA TENSÃO - DEFORMAÇÃO - COMPRESSÃO Uma característica do concreto é não apresentar, para diferentes dosagens, um mesmo tipo de diagrama tensão-deformação. Os concretos mais ricos em cimento (mais resistentes) têm um "pico" de resistência (máxima tensão) em torno da deformação 2. Já os concretos mais fracos apresentam um "patamar" de resistência que se inicia entre as deformações 1 e 2 Figura 1.3a. A ABNT NBR 6118, item , não leva em consideração os diferentes diagramas tensão-deformação mostrados na Figura 1.3a e apresenta, de modo simplificado, o diagrama parábola-retângulo mostrado na Figura 1.3b. (a) (b) Figura 1.3: (a) Diagramas tensão deformação (compressão) de concretos diversos, (b) Diagrama tensão deformação (compressão) da ABNT NBR DIAGRAMA TENSÃO DEFORMAÇÃO - TRAÇÃO No concreto não fissurado, pode ser adotado o diagrama tensão deformação bilinear de tração, indicado na Figura 1.4 (ABNT NBR 6118, item ). Figura 1.4: Diagrama tensão deformação (tração) da ABNT NBR

6 FLUÊNCIA E RETRAÇÃO FLUÊNCIA A fluência é uma deformação que depende do carregamento. Corresponde a uma contínua (lenta) deformação do concreto, que ocorre ao longo do tempo, sob ação de carga permanente. Um aspecto do comportamento das deformações de peças de concreto carregada e descarregada é mostrado na Figura 1.5. Figura 1.5: Deformação de bloco de concreto carregado e descarregado RETRAÇÃO A retração do concreto é uma deformação independente de carregamento. Corresponde a uma diminuição de volume que ocorre ao longo do tempo devido à perda d'água que fazia parte da composição química da mistura da massa de concreto. A curva que representa a variação da retração ao longo do tempo tem o aspecto mostrado na Figura 1.6. Figura 1.6: Retração do concreto DEFORMAÇÃO TOTAL A deformação total do concreto, decorrido um espaço de tempo após a aplicação de um carregamento permanente, corresponde a: 1-6

7 Equação 1.5 [ ] Equação 1.6 onde: c(t) deformação específica total do concreto no instante t; c(t0) deformação específica imediata (t0) do concreto devida ao carregamento (encurtamento); cc(t,t0) deformação específica do concreto devida à fluência no intervalo de tempo t t0; cs(t,t0) deformação específica do concreto devida à retração no intervalo de tempo t t0; c(t0) tensão atuante no concreto no instante (t0) da aplicação da carga permanente (negativa para compressão); Eci(t0) módulo de elasticidade (deformação) inicial no instante t0; (t,t0) coeficiente de fluência correspondente ao intervalo de tempo t t0. Em casos onde não é necessária grande precisão, os valores finais (t ) do coeficiente de fluência (t,t0) e da deformação específica de retração cs(t,t0) do concreto submetido a tensões menores que 0,5 fc quando do primeiro carregamento, podem ser obtidos, por interpolação linear, a partir da Tabela 1.2. Esta Tabela fornece o valor do coeficiente de fluência (t,t0) e da deformação específica de retração cs(t,t0) em função da umidade ambiente e da espessura equivalente 2 Ac/u, onde: Ac u área da seção transversal; perímetro da seção em contato com a atmosfera. (t,t0) cs(t,t0) ( ) Umidade ambiente (%) Espessura fictícia 2Ac/u (cm) t0 (dias) ,4 3,9 3,8 3,3 3,0 2,6 2,3 2,1 30 3,0 2,9 2,6 2,5 2,0 2,0 1,6 1,6 60 3,0 2,6 2,2 2,2 1,7 1,8 1,4 1,4 5-0,44-0,39-0,37-0,33-0,23-0,21-0,10-0, ,37-0,38-0,31-0,31-0,20-0,20-0,09-0, ,32-0,36-0,27-0,30-0,17-0,19-0,08-0,09 Tabela 1.2: Valores característicos superiores da deformação específica de retração cs(t,t0) e do coeficiente de fluência (t,t0). 1.5 PROPRIEDADES DO AÇO O aço possui também coeficiente de dilatação térmica, suas propriedades mecânicas também são representadas por um diagrama tensão deformação, possui módulo de elasticidade, etc. Apresenta, também, uma propriedade específica, que é o coeficiente de conformação superficial CATEGORIA DOS AÇOS DE ARMADURA PASSIVA 1-7

8 Nos projetos de estruturas de concreto armado deve ser utilizado aço classificado pela ABNT NBR 7480 com o valor característico da resistência de escoamento nas categorias CA-25, CA-50 e CA-60 8 (item da ABNT NBR 6118). Estes aços e suas respectivas resistências características à tração (fyk) estão mostrados na Tabela 1.3. Categoria CA-25 CA-50 CA-60 fyk 250 MPa 500 MPa 600 MPa Tabela 1.3: Aços de armadura passiva. Os diâmetros nominais devem ser os estabelecidos na ABNT NBR COEFICIENTE DE CONFORMAÇÃO SUPERFICIAL Os fios e barras podem ser lisos ou providos de saliências ou mossas. Cada categoria de aço possui um coeficiente de conformação superficial mínimo, determinado através de ensaios de acordo com a ABNT NBR 7477, deve atender ao indicado na ABNT NBR 7480 (item da ABNT NBR 6118). A ABNT NBR 7480 relaciona o coeficiente de conformação superficial com as categorias dos aços. A ABNT NBR 6118 caracteriza a superfície das barras através do coeficiente para cálculo da tensão de aderência da armadura 1. Os coeficientes estabelecidos pelas normas ABNT NBR 7480 e ABNT NBR 6118 estão mostrados na Tabela Superfície 1 Lisa (CA-25) 1,00 1,0 Entalhada (CA-60) 1,40 1,5 Alta Aderência (CA-50) 2,25 1,5 Tabela 1.4: Coeficientes de conformação superficial (ABNT NBR 7480) e para Cálculo da Tensão de Aderência (ABNT NBR 6118) MASSA ESPECÍFICA Segundo o item da ABNT NBR 6118, pode-se adotar para massa específica do aço de armadura passiva o valor de kg/m COEFICIENTE DE DILATAÇÃO TÉRMICA O valor 10-5 /ºC pode ser considerado para o coeficiente de dilatação térmica do aço, para intervalos de temperatura entre -20ºC e 150ºC (Item da ABNT NBR 6118) MÓDULO DE ELASTICIDADE Na falta de ensaios ou valores fornecidos pelo fabricante, o módulo de elasticidade do aço pode ser admitido igual a 210 GPa (ABNT NBR 6118, item 8.3.5) DIAGRAMA TENSÃO - DEFORMAÇÃO, RESISTÊNCIA AO ESCOAMENTO E À 8 As letras CA significam concreto armado e o número associado corresponde a 1/10 da resistência característica em MPa. 9 A NBR 6118 define o coeficiente de conformação superficial como b e estabelece, para o CA-60, o valor mínimo de 1,2, diferente do apresentado na Tabela 2, página 7 da NBR 7480/1996. Nesta Tabela o valor mínimo de corresponde a 1,5, como apresentado na Tabela

9 TRAÇÃO O diagrama tensão-deformação do aço, os valores característicos da resistência ao escoamento fyk, da resistência à tração fstk e da deformação na ruptura uk devem ser obtidos de ensaios de tração realizados segundo a ABNT NBR ISO O valor de fyk para os aços sem patamar de escoamento é o valor da tensão correspondente à deformação permanente de 2 (ABNT NBR 6118, item 8.3.6). Nos projetos de estruturas de concreto armado, a ABNT NBR 6118 permite utilizar o diagrama simplificado mostrado na Figura 1.7, para os aços com ou sem patamar de escoamento. Este diagrama é válido para intervalos de temperatura entre -20ºC e 150ºC e pode ser aplicado para tração e compressão. Figura 1.7: Diagrama tensão-deformação do aço CARACTERÍSTICAS DE DUTILIDADE Os aços CA-25 e CA-50, que atendam aos valores mínimos de fyk/fstk e uk indicados na ABNT NBR 7480, podem ser considerados como de alta ductilidade. Os aços CA-60 que obedeçam também às especificações dessa Norma podem ser considerados como de ductilidade normal (item da ABNT NBR 6118) SOLDABILIDADE Um aço é considerado soldável, quando sua composição obedece aos limites estabelecidos na ABNT NBR A emenda de aço soldada deve ser ensaiada à tração segundo a ABNT NBR A carga de ruptura, medida na barra soldada deve satisfazer o especificado na ABNT NBR 7480 e o alongamento sob carga deve ser tal que não comprometa a ductilidade da armadura. O alongamento total plástico medido na barra soldada deve atender a um mínimo de 2% (ABNT NBR 6118, item 8.3.9) CLASSIFICAÇÃO Conforme especifica a ABNT NBR 7480, item 4.1, os aços a serem usados em estruturas de concreto armado serão classificados: como barras, se possuírem diâmetro nominal igual ou superior a 5 mm e forem obtidos exclusivamente por laminação à quente; como fios, se possuírem diâmetro nominal igual ou inferior a 10 mm e forem obtidos por trefilação ou processo equivalente. De acordo com a categoria, as barras e fios de aço serão classificadas conforme mostrado na Tabela 1.5. Categoria Classificação 1-9

10 CA-25 CA-50 CA-60 Barras Fios Tabela 1.5: Barras e fios de aço. As características das barras (CA-25 e CA-50) e fios (CA-60), definidas pela ABNT NBR 7480, estão mostradas nas Tabela 1.6 e Tabela 1.7. Diâmetro Nominal (mm) Massa Nominal 10 (kg/m) Barras Área da Seção (cm 2 ) Perímetro (cm) 5 0,154 0,196 1,57 6,3 0,245 0,312 1,98 8 0,395 0,503 2, ,617 0,785 3,14 12,5 0,963 1,227 3, ,578 2,011 5, ,466 3,142 6, ,984 3,801 6, ,853 4,909 7, ,313 8,042 10, ,865 12,566 12,57 Tabela 1.6: Características das barras de aço para concreto armado 10 A densidade linear de massa, em kg/m, é obtida pelo produto da área da seção nominal em m 2 por kg/m

11 Diâmetro Nominal (mm) Massa Nominal (kg/m) Fios Área da Seção (cm 2 ) Perímetro (cm) 2,4 0,036 0,045 0,75 3,4 0,071 0,091 1,07 3,8 0,089 0,113 1,19 4,2 0,109 0,139 1,32 4,6 0,130 0,166 1,45 5,0 0,154 0,196 1,57 5,5 0,187 0,238 1,73 6,0 0,222 0,283 1,88 6,4 0,253 0,322 2,01 7,0 0,302 0,385 2,22 8,0 0,395 0,503 2,51 9,5 0,558 0,709 2,98 10,0 0,617 0,785 3,14 Tabela 1.7: Características dos fios de aço para concreto armado 1-11